JP2009502705A

JP2009502705A - ダイヤモンド種モザイクからの成長ダイヤモンドの分離

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Publication number: JP2009502705A
Application number: JP2008522991A
Authority: JP
Inventors: ジェニス，アルフレッド，アール．; リネアス，ロバート，シー．; ドォーリング，パトリック，ジェイ．
Original assignee: Apollo Diamond Inc
Current assignee: Apollo Diamond Inc
Priority date: 2005-07-21
Filing date: 2006-07-21
Publication date: 2009-01-29
Also published as: EP1912894A1; US20070017437A1; US8048223B2; WO2007014032A1

Abstract

本発明は、一実施形態では、合成ダイヤモンド、および複数の種ダイヤモンド上でそうしたダイヤモンドを成長させ、その成長ダイヤモンドにイオンを注入し、複数の種ダイヤモンドから成長ダイヤモンドを分離する方法を提供する。
【選択図】図４

Description

本発明は、一般にダイヤモンドの加工に関し、より具体的にはモザイク成長ダイヤモンドの層を分離することに関する。

ダイヤモンドは、他の材料と差別化する硬度、熱伝導性および他の特性を有する材料の中で最も有用な材料である。ダイヤモンドの硬さは、鋸刃、ドリル用ビットでの使用などの切削または研削において用いるか、あるいは研磨または研削用の研磨剤として用いるのにダイヤモンドを非常に適したものにしている。ダイヤモンドの他の用途には、高性能ベアリング、および航空機実装レーザー装置用などの特殊用途のウィンドウでの使用が含まれる。

ダイヤモンドはその光分散性や外観によってもよく知られており、宝石類を作製するのに用いられるエレメントの中で最も望ましいものである。よくカットされたダイヤモンドによる光の散乱によって、その外観が他の透明結晶または半透明結晶とは異なり、視覚的により魅力的なものになっている。ダイヤモンドの硬さのため、引っかき傷や他の損傷に対して耐性のあるものになっており、普段身につけるもので、これを最も耐久性のある実用的な宝石類材料にしている。

ダイヤモンドは天然の絶縁体でもあるが、ホウ素などの特定の不純物をドーピングすると半導体になり、過剰の「正孔」を有する、すなわち電子が不足したｐ型ダイヤモンドをもたらす。それはホウ素が、炭素より１つ少ない３つの原子価電子しかもたないからである。ダイヤモンド構造中の強い共有結合に起因するダイヤモンドの熱伝導性は、集積回路または他の半導体素子から熱を逃がすためなどの熱導体としてもダイヤモンドを有用なものにしている。

しかし、ダイヤモンドは見出すのが困難であり、天然では通常かなり小さなサイズのものしか見出されない。上記用途のうちの多くは大きな高品質ダイヤモンドの用途の可能性を示しており、そうしたダイヤモンドが市販されるようになることが望まれる。より大きい宝石、より大きい半導体基板、より大きいウィンドウ、切削工具でのより大きいダイヤモンドエレメントはどれも望ましく、そのことは、より大きいダイヤモンドの必要性を示している。

本発明は、一実施形態では、合成ダイヤモンドを提供し、かつそうしたダイヤモンドを複数の種ダイヤモンド上で成長させ、その成長ダイヤモンドにイオンを注入し、複数の種ダイヤモンドから成長ダイヤモンドを分離する方法を提供する。様々な他の実施形態では、ダイヤモンドを化学蒸着によって成長させ、注入されるイオンは水素イオンを含み、イオン注入した後、加熱により種ダイヤモンドから成長ダイヤモンドを分離する。

本発明の実施形態の以下の詳細な説明においては添付の図面を参照する。この図面は本発明の一部をなすものであり、そこでは、説明のために本発明を実施することができる特定の実施形態を示している。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施できるように十分詳細に説明されているが、他の実施形態を用いることができ、本発明の本質または範囲を逸脱することなく論理的、機械的、電気的変更や他の変更を加えることができることを理解されよう。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味でとられるべきではなく、本発明の範囲は添付した特許請求の範囲によってのみ規定される。

本発明の１つの実施形態は、合成ダイヤモンド、および複数の種ダイヤモンド上でそうしたダイヤモンドを成長させ、成長ダイヤモンドにイオンを注入し、かつ複数の種ダイヤモンドから成長ダイヤモンドを分離する方法を提供する。様々な他の実施形態では、ダイヤモンドを化学蒸着によって成長させ、注入されるイオンは水素イオンを含み、イオン注入した後、加熱により種ダイヤモンドから成長ダイヤモンドを分離する。

したがっていくつかの実施形態では、得られるダイヤモンドは、第２の表面とほぼ平行する第１のイオン注入された表面を有することになり、この第１の表面からの第２の表面の深さは、イオン注入のエネルギーにより定まる。したがって、第２の表面も、第１の表面より、またはダイヤモンドのバルクもしくは本体より著しく高いイオン密度を有することになる。

図１〜５は、ダイヤモンドを複数の種ダイヤモンド上で成長させ、イオン注入を用いて種ダイヤモンドから成長ダイヤモンドを分離することによって、単結晶合成ダイヤモンドを作製する方法を示す。

図１は、合成ダイヤモンドを成長させるためのベースとして用いる、例としての種ダイヤモンド１０１のアセンブリーの上面図である。様々な実施形態において、種ダイヤモンドは天然ダイヤモンドまたは合成ダイヤモンドであり、この例では、その上に合成ダイヤモンドを成長させることができるほぼ平らな表面を形成するように配置される。様々な実施形態において、種ダイヤモンドは異なる構成で配置され、異なる形状、サイズ、および異なる方向に配向された結晶構造平面を有する。

次いで、図１の組み立てられたダイヤモンドのモザイクを、図２のダイヤモンドの形成のための種または成長表面として用いる。いくつかの実施形態では、合成成長ダイヤモンド２０１は、化学蒸着によるか、または高温高圧成長などの他の手段によって形成される。合成成長ダイヤモンド２０１は種結晶ダイヤモンド２０２の全体にわたって形成され、いくつかの実施形態では、その上に成長した個々の種結晶のどれよりも実質的に大きいダイヤモンドが形成される。いくつかの実施形態では、合成成長ダイヤモンド２０１は単結晶ダイヤモンドであり、その結果、その結晶構造は成長ダイヤモンド全体にわたって本質的に一様なものである。

この方法によって、少なくとも一次元または二次元的に種ダイヤモンドのどれよりも実質的に大きい合成成長ダイヤモンドを作製することができる。図１および図２の実施例では、図１で示す平面において、合成成長ダイヤモンドは、９つの種ダイヤモンドとほぼ同じ大きさであり、他の既知の方法で作製できるダイヤモンドよりずっと大きい成長ダイヤモンドが得られる。しかし、成長ダイヤモンドは複数の種ダイヤモンドと接合しており、図３〜５で示すような種ダイヤモンドから合成成長ダイヤモンドを分離する手段を用いない場合、非常に大きなダイヤモンドを成長させるためには、非常に多くの数の種ダイヤモンドを使用することが必要になる。

図３は、比較的平らな露出表面を有する合成ダイヤモンドが得られるようになされた切削経路を示す破線に沿って、種ダイヤモンド３０２上に形成された合成成長ダイヤモンド３０１を示す。ダイヤモンドは、ダイヤモンドの結晶面に沿って力をかけるかまたは他のそうした方法によって、レーザー、ダイヤモンド鋸などの様々な技術を用いて切削することができる。いくつかの例においては、ダイヤモンドの上部表面を平らに研磨または研削し、ダイヤモンドウィンドウ、半導体基板、または切削工具用もしくは宝石原石の作製用のエレメントなどの本来の目的のために、合成成長ダイヤモンドの上部表面が十分に平らであるようにする。

その上部表面が十分に平らになったら、図４に示すようにして水素などのイオンを注入する。イオン注入装置４０１は、合成成長ダイヤモンドが、種結晶を含む下にあるダイヤモンドから分離される特定の所望深さで、合成成長ダイヤモンド４０２を浸透するように設計されたエネルギーを用いてイオンを注入する。水素イオンが所望の深さに注入されて比較的高いイオン濃度を有する層４０３が形成されると、それがイオン注入層で分離するまで図４のダイヤモンドアセンブリーを加熱する。いくつかの他の実施形態では、物理的圧力、光または他の変化などの他の刺激を用いてイオン注入層でダイヤモンドを分離させ、図５に示すような分離されたダイヤモンドアセンブリーを得ることができる。

図５をさらに入念にみてみると、合成成長ダイヤモンド層５０１は、成長ダイヤモンドの薄層５０３が種結晶上に残留するように種結晶５０２から分離され、イオンを注入した高さに比較的滑らかな分離表面ができる。したがってこの実施例では、合成成長ダイヤモンドの新たに露出した表面５０４は、形状または輪郭が、図４に示したイオン注入の際の上部表面の形状とかなり類似しており、新たに露出した分離表面またはそのごく近傍において、通常のイオン濃度より高い濃度を有している。

ここで説明した方法は、例えば、より大きな合成成長ダイヤモンド用の種結晶として用いる、より大きな合成成長ダイヤモンドを作製するために、複数回反復することができ、あるいは、種結晶の同じモザイクアセンブリーから成長ダイヤモンドの層を繰り返しリフトオフすることによって行うことができる。例えば、図１の種ダイヤモンドモザイク１０１から分離された、図５の単一の単結晶合成成長ダイヤモンド５０１はそれ自体、図１のそれと類似したモザイクにおいて種ダイヤモンドとして働き、図１に示す個々の種ダイヤモンドの８１倍の面積の合成成長ダイヤモンドをもたらす種ダイヤモンドモザイクを提供することができる。このプロセスを反復することによって、高性能マイクロプロセッサやデジタル・シグナル・プロセッサなどの大規模集積回路を支持するのに適したダイヤモンド基板などの非常に大きいダイヤモンドが得られる。製造するのに従来実際的でなかった他の用途のための様々な他の大きなダイヤモンド構造とあわせて、モザイクタイリングとイオン注入リフトオフプロセスを反復することによって、軍事用レーザー装置などの用途のための大きなダイヤモンド形のウィンドウの作製も可能である。

再度図５をみてみると、合成成長ダイヤモンド５０１を熱分離またはリフトオフした後、水素イオン注入によって、種ダイヤモンドのモザイクタイル上に単結晶ダイヤモンド５０３の層が残されている。合成成長ダイヤモンドが、所望の合成成長ダイヤモンド５０１を作製するのに必要な厚さより大幅に厚く作製された場合、同じ成長ダイヤモンド上で、イオン注入とリフトオフのサイクルを複数回実施することができる。また、単結晶の合成成長ダイヤモンド５０３の層を有する種ダイヤモンドのモザイクを研磨するか、あるいはそれをそのまま用いて、種ダイヤモンド５０２と成長ダイヤモンド５０３により形成された残るダイヤモンド構造上に追加の合成ダイヤモンドを成長させることによって、追加のダイヤモンドの作製のための種として作用させることができる。

ダイヤモンドを分離するための他の技術には、切削工具の使用や、図６に示すようなレーザーが含まれる。ここでは、レーザー６０１により、成長ダイヤモンド６０２とダイヤモンド種６０３との間にくさび形の隙間を切削する。その結果、相当な量のダイヤモンドマスが破壊される。ダイヤモンドを通ってレーザーが進行するにしたがって、より多くのダイヤモンドが破壊され続け、残留するダイヤモンド種の量と成長ダイヤモンドのサイズは大幅に減少する。そのため、比較的非効率であり、かつ屑を生み出すので、この方法は望ましくないものとなっている。２〜６°の収束角度で、ダイヤモンド材料中に深く切削すると、成長ダイヤモンド構造および種ダイヤモンド構造から取り出された、より深い、望ましいダイヤモンドが得られる。これによって、１平方インチのダイヤモンドで１０カラットの損失に達する可能性がある。

同様に、ダイヤモンド鋸などの機械的切削工具は、研削によりダイヤモンドを切削し、モザイク種ダイヤモンド−合成成長ダイヤモンド界面近傍で相当な量のダイヤモンドの破壊をもたらす。レーザーかまたは機械的切削工具の切削強度では、ダイヤモンド空洞の奥深くでの切削の制御が困難であるため、そうした技術の使用はさらに望ましくないものであるといえる。

この例は、合成成長ダイヤモンドを形成させるために化学蒸着を用いるが、他の例では、マイクロ波プラズマ反応器、ＤＣプラズマ反応器、ＲＦプラズマ反応器、熱フィラメント反応器、および他のそうした技術を含む様々な技術を、ダイヤモンドを形成させるために用いることができる。「ＳｙｓｔｅｍａｎｄＭｅｔｈｏｄｆｏｒＰｒｏｄｕｃｉｎｇＳｙｎｔｈｅｔｉｃＤｉａｍｏｎｄ」という名称の米国特許第６，５８２，５１３号（これを参照により本明細書に組み込む）に記載されているものなどの様々な方法および装置によって、合成ダイヤモンドを形成させることができる。

１つの例では、成長ダイヤモンドは単結晶合成ダイヤモンドであり、メタンまたは他のガスなどのガス流を用いて、ダイヤモンドの形成を促進するプラズマを発生させるプラズマ反応器用の先駆材料を提供する。いくつかの例またはダイヤモンドのいくつかの層におけるガスは、ホウ素ドーパントまたは炭素の種々の同位体などの様々な不純物を含有する。例えば、炭素１２の平均的純度より高い純度を有し、それに対応して少ない濃度の炭素１３同位体を有するダイヤモンドのことを、同位体的に濃縮されているダイヤモンドと呼びならわしており、これは特に熱伝導性を有する。この性質によって、こうしたダイヤモンドは半導体素子加工などの用途に非常に適しており、こうしたダイヤモンドを使わない場合に得られるものより、大きな電力とより高い密度が得られるようになっている。炭素１２を用いたダイヤモンドＣＶＤ先駆体ガスの同位体的濃縮によって、典型的な１．１％の炭素１３濃度より大幅に小さい濃度を有するダイヤモンドが得られ、３３００Ｗ／ｍＫもの高い熱伝導度が得られる。高い熱伝導性を有する合成ダイヤモンドを作製する方法の他の例には、低窒素雰囲気下でダイヤモンドを成長させる方法、水素リッチな雰囲気下で合成ダイヤモンドを成長させる方法、および熱伝導度の増加をもたらすホウ素ドーピングを使用する方法が含まれる。

いくつかの実施形態では、注入されたホウ素または他のドーパントを有するダイヤモンド領域は、ダイヤモンド結晶構造内にドーパントを導入した結果として、ドーピングしていないダイヤモンドよりいくぶん大きいかまたは小さい格子構造を有することになる。種ダイヤモンドが、種の上に形成させる合成成長ダイヤモンドとは異なる組成物のダイヤモンドである場合、これは特に重要である。いくつかの実施形態では、異なるドーピング濃度を有するダイヤモンド間、またはドーピングされたダイヤモンドとドーピングされていないダイヤモンドとの間の格子不整合は、所望の格子構造を与えるように選択されたイオンを注入することによって制御される。例えば、ホウ素を若干ドーピングしたダイヤモンド領域は、主として炭素１２で作製されたドーピングしていないダイヤモンドと比べていくぶん拡張された格子構造を有することになる。ホウ素ドーピングしたダイヤモンドに炭素１３を添加すると格子構造を収縮させる。いくつかの実施形態では、それは、ダイヤモンド成長と分離プロセスにおけるダイヤモンド層の間の格子不整合を排除するか、あるいは種ダイヤモンドと成長ダイヤモンド層の間などのダイヤモンド層間の格子不整合または歪を制御するのに用いられる。

分離を行うために注入される水素原子は、様々な例において種々の条件下で注入されるが、１つの例では、平方センチメートル当たり約１マイクロアンペアの線量率で、ダイヤモンド表面に対して１０度の角度で注入する。平方センチメートル当たり約１０^１７個の原子の合計線量が図４の層４０３などのダイヤモンド中に注入されるまで、約２００ＫｅＶのエネルギーで電子を注入する。水素注入のパラメーターを変えると、得られる水素注入層の深さと密度が変わることになる。

得られたダイヤモンドアセンブリーを水素または不活性ガスなどの非酸化性雰囲気で、ダイヤモンドアセンブリーの種ダイヤモンド領域が、水素注入の領域で分離するように設計された高温まで加熱する。１つの例では、この分離は約１２００℃で起こるが、他の例では１１００〜２４００℃の範囲内で起こる。種ダイヤモンドと、成長ダイヤモンド−種ダイヤモンドアセンブリーが分離すると、図５に示したように、成長ダイヤモンドの部分が種ダイヤモンドのモザイクに依然として付着した状態で、成長ダイヤモンド−種ダイヤモンドアセンブリーが残留する。いくつかの例では、分離は高温で自発的に起こるが、他の例では、水素注入層全体に圧力をかけることによって分離が引き起こされる。

ここに示した例は、ダイヤモンド種のモザイク上に合成ダイヤモンドを成長させる方法を用い、かつ得られたダイヤモンド構造を分離させるためにイオン注入を用いて、どのようにしてダイヤモンドを形成させることができるかを説明している。特定の実施形態を本明細書で示し説明してきたが、当業者は、説明してきた特定の実施形態を、同じ目的を達成すると想定される様々な変更形態で置き換えることができることを理解されよう。本出願は、本発明のいかなる適合形態または変更形態も包含するものとする。本発明は特許請求の範囲およびその全範囲の等価物のみによって限定されるものとする。

本発明のいくつかの実施形態を実施するのに用いることができるダイヤモンド種結晶のモザイクの上面図を示す図である。本発明のいくつかの実施形態による、種ダイヤモンドのモザイク上で成長した合成の成長単結晶ダイヤモンドを示す図である。本発明のいくつかの実施形態による、合成成長ダイヤモンドと種ダイヤモンドアセンブリーのトリム領域を示す図である。本発明のいくつかの実施形態による、合成成長ダイヤモンドと種ダイヤモンドアセンブリー中へのイオン注入を示す図である。本発明のいくつかの実施形態による、熱を用いたイオン注入段階での、合成成長ダイヤモンドと種ダイヤモンドアセンブリーの分離を示す図である。本発明のいくつかの実施形態による、レーザーを用いた合成成長ダイヤモンドと種ダイヤモンドアセンブリーの分離を示す図である。

Claims

複数の種ダイヤモンド上にダイヤモンドを成長させるステップと、
成長ダイヤモンドにイオンを注入するステップと、
前記複数の種ダイヤモンドから前記成長ダイヤモンドを分離するステップと
を含むダイヤモンドの形成方法。
前記ダイヤモンドを成長させるステップが化学蒸着を含む請求項１に記載の方法。
前記ダイヤモンドに注入するステップが、選択されたエネルギーでイオンを所望の深さまで注入することを含む請求項１に記載の方法。
前記注入されるイオンが水素を含む請求項１に記載の方法。
前記複数の種ダイヤモンドから前記成長ダイヤモンドを分離するステップが、前記成長ダイヤモンドと前記複数の種ダイヤモンドを加熱することを含む請求項１に記載の方法。
前記成長ダイヤモンドの表面を研磨し、続いて前記成長ダイヤモンドの研磨表面にイオンを注入するステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
前記成長ダイヤモンドが単結晶ダイヤモンドである請求項１に記載の方法。
前記成長ダイヤモンドが２５００Ｗ／ｍＫを超える熱伝導度を有する請求項１に記載の方法。
前記成長ダイヤモンドが２７００Ｗ／ｍＫを超える熱伝導度を有する請求項１に記載の方法。
前記成長ダイヤモンドが３２００Ｗ／ｍＫを超える熱伝導度を有する請求項１に記載の方法。
前記成長ダイヤモンドを、炭素１２について同位体的に濃縮し、それによって、得られる炭素１３濃度が１％未満である請求項１に記載の方法。
前記成長ダイヤモンドを、炭素１２について同位体的に濃縮し、それによって、得られる炭素１３濃度が０．１％未満である請求項１に記載の方法。
前記成長ダイヤモンドを、炭素１２について同位体的に濃縮し、それによって、得られる炭素１３濃度が０．０１％未満である請求項１に記載の方法。
前記成長ダイヤモンドが５０ｐｐｍ未満の窒素濃度を有する請求項１に記載の方法。
前記成長ダイヤモンドが１０ｐｐｍ未満の窒素濃度を有する請求項１に記載の方法。
前記成長ダイヤモンドが５ｐｐｍ未満の窒素濃度を有する請求項１に記載の方法。
それを通してイオンが注入される第１の表面と、
前記イオンが注入され、そこで２個以上の種ダイヤモンドから合成成長ダイヤモンドが分離される第２の表面と
を含む合成成長ダイヤモンド。
前記第２の表面が前記第１の表面とほぼ平行である請求項１７に記載の合成成長ダイヤモンド。
化学蒸着によって形成される請求項１７に記載の合成成長ダイヤモンド。
前記イオンが水素を含む請求項１７に記載の合成成長ダイヤモンド。
加熱により、２個以上の種ダイヤモンドから分離される請求項１７に記載の合成成長ダイヤモンド。
前記合成成長ダイヤモンドの前記第１の表面が研磨され、続いて前記ダイヤモンドの前記第１の表面にイオンが注入される請求項１７に記載の合成成長ダイヤモンド。
単結晶ダイヤモンドである請求項１７に記載の合成成長ダイヤモンド。
２５００Ｗ／ｍＫを超える熱伝導度を有する請求項１７に記載の合成成長ダイヤモンド。
２７００Ｗ／ｍＫを超える熱伝導度を有する請求項１７に記載の合成成長ダイヤモンド。
３２００Ｗ／ｍＫを超える熱伝導度を有する請求項１７に記載の合成成長ダイヤモンド。
炭素１２について同位体的に濃縮され、それによって、得られる炭素１３濃度が１％未満である請求項１７に記載の合成成長ダイヤモンド。
炭素１２について同位体的に濃縮され、それによって、得られる炭素１３濃度が０．１％未満である請求項１７に記載の合成成長ダイヤモンド。
炭素１２について同位体的に濃縮され、それによって、得られる炭素１３濃度が０．０１％未満である請求項１７に記載の合成成長ダイヤモンド。
５０ｐｐｍ未満の窒素濃度を有する請求項１７に記載の合成成長ダイヤモンド。
１０ｐｐｍ未満の窒素濃度を有する請求項１７に記載の合成成長ダイヤモンド。
５ｐｐｍ未満の窒素濃度を有する請求項１７に記載の合成成長ダイヤモンド。
第１の表面と、
前記第１の表面とほぼ平行になっている第２の表面と
を含む合成成長ダイヤモンドであって、前記ダイヤモンドのバルクが前記第１の表面と前記第２の表面との間に位置するようになっており、且つ前記第１の表面が前記ダイヤモンドのバルクより高いイオン密度を有する合成成長ダイヤモンド。
単結晶ダイヤモンドである請求項３３に記載の合成成長ダイヤモンド。
前記合成成長ダイヤモンドの前記第１の表面または前記第２の表面の少なくとも１つが、少なくとも０．５平方センチメートルの面積を有するほぼ平らな結晶面である請求項３３に記載の合成成長ダイヤモンド。
前記合成成長ダイヤモンドの第１の表面または第２の表面の少なくとも１つが、少なくとも１平方センチメートルの面積を有するほぼ平らな結晶面である請求項３３に記載の合成成長ダイヤモンド。
前記合成成長ダイヤモンドの第１の表面または第２の表面の少なくとも１つが、少なくとも５平方センチメートルの面積を有するほぼ平らな結晶面である請求項３３に記載の合成成長ダイヤモンド。